Посчастливилось мне работать этим летом в ЦЕРНе, в отделении криогеники. В этом посте я расскажу, в общих чертах, чем же тут занимаются.
Давайте вспомним, что же есть ЦЕРН.
CERN — Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (фр.), или же European Organization for Nuclear Research (анг.), международный центр ядерных исследований. Занимается изучением физики высоких энергий в течение вот уже 57 (29 сентября будет 58) лет. Самые известные для ненаучного мира достижения — «создание Web» Тимом Ли (разумеется, до него передача данных от сервера к клиенту существовала в некоторых военных организациях, но Тим Ли сделал первый в мире сервер, доступный сначала только из ЦЕРНа, а потом уже и из всего мира), разработка системы GRID. Находится на границе Швейцарии и Франции.
На данный момент в ЦЕРНе находится самый большой и самый мощный в мире ускоритель LHC (Large Hadron Collider, БАК). На этом ускорителе есть 4 крупных эксперимента (В самом ЦЕРНе их больше, но все они либо используют данные, полученные этими четырьмя, либо не связанны с ускорителем вообще): ALICE, ATLAS, CMS, LHCb. Давайте разберем по-порядку, чем каждый из них занимается (для знатоков уточню — я буду пытаться объяснить все так, что бы было понятно людям, с физикой не связанным. Неточности и ошибки можно будет обсудить в комментариях. А то ведь, на самом деле, каждый из этих экспериментов заслуживает отдельной статьи):
-ALICE:
Как вы все знаете, по современной теории (и пока не имеющей достоверных опровержений) наша вселенная произошла из Большого Взрыва 14 миллиардов лет назад. В один момент появилась вся материя, вся энергия, время и пространство, и потом весь этот суп начал развиваться. Нас же сейчас интересует вот этот самый суп из всего что только возможно сразу после создания вселенной. Состояние, в котором была материя в то время — плазма, с огромной энергией и температурой, и с очень интересными свойствами. ALICE хочет воспроизвести маленький Большой Взрыв и понаблюдать за состоянием материи в первые секунды после большого взрыва (Это именно тот эксперимент, который должен был создать черную дыру и всех нас убить, да-да).
-ATLAS:
Если купить очень дорогое оборудование, нанять сотню-другую гениальных астрофизиков и потратить несколько лет на изучение космоса, то можно заметить, что материя, которую мы «видим», составляет лишь около 5% массы всей Вселенной. Остальные же 95% это так называемая тёмная материя (23%) и тёмная энергия (72%). ATLAS как раз таки и пытается понять, что это за материя и почему её не видно (Теоретики предполагают, что это материя из других измерений, но свет распространяется только в 3-х, а гравитация — по всем, по-этому мы можем заметить массу этой материи, но не увидеть её. Но это очень простое объяснение, которое меня не устраивает — складывается впечатление, что существуют параллельные миры и другая научно-фантастическая чушь, что абсолютно неверно). Так же этот эксперимент ищет бозон Хигса, который отвечает на вопрос «почему у тела есть масса».
-CMS:
Этот эксперимент ищет то же самое, что и ATLAS, только другими способами. Однако, как вы могли уже читать, именно он близок к нахождению бозона Хигса, как никогда.
-LHCb:
Есть такая штука, как антиматерия. Одно из ее свойств — аннигиляция при взаимодействии с материей (и то, и другое превращается в чистую энергию, ничего не остаётся). В теоретической физике почти все подвержено симметрии, и это значит что, при создании материи и антиматерии во время Большого Взрыва, все должно было аннигилировать и исчезнуть. Однако что-то пошло не так, как мы предполагаем, и не вся материя и антиматерия аннигилировали (божественный баг, или же фича?). LHCb пытается понять, почему же это произошло.
Вот собственно четыре самых крупных физических эксперимента мира. Если кому-то будет интересно, могу написать про каждый из них отдельно.
Теперь давайте посмотрим, как же это все работает.
Каждый из экспериментов разгоняет пучки частиц в ускорителе до около-световых скоростей и сталкивает их в своем детекторе (по одному детектору на эксперимент). ALICE сталкивает ионы свинца (у них большая масса), ATLAS, CMS и LHCb — протоны. После столкновения частицы разлетаются на частички поменьше, которые наблюдаются детекторами, и потом из этих данных восстанавливается полная картина столкновения. Данные же с детекторов (здесь я имею ввиду именно одиночные штуки, которые фиксируют частицу, такие как кристалы, пузырьковые камеры, и т.д...) аналоговым сигналом передаются на установки, стоящие непосредственно рядом с ними, которые, в свою очередь, конвертируют его в цифровой сигнал и отсылают наверх, на обработку и на сохранение. Проблема тут в том, что этих данных много. Очень много. Невероятно много. Например, с эксперимента ATLAS в секунду поступает 70 терабайт информации (источник). А столкновения происходят в течении часов. Представляете себе масштаб? Для решения этой задачи в ЦЕРНе разработали систему GRID, которая использует мощности многих дата-центров мира для своих целей. Опять же, если кому-то будет интересно почитать про детекторы — могу написать про них.
Идем дальше. Что бы разогнать частицы, надо подать сильное магнитное поле. Тут для подачи тока используют суперпроводники при температурах от 1.7 до 4 Кельвина. Охлаждается все гелием: закупается жидкий гелий, тонн эдак 500, и охлаждается до 4 по Кельвину. А потом, если надо ниже, то и до 1.7. Тут мне рассказать больше особо нечего, так как описание системы охлаждения будет очень долгим (Если кому-то будет интересно… ну вы поняли). Что могу добавить — так это в 2008 году в туннеле был взрыв, и именно из-за не идеальной системы подачи гелия весь ускоритель встал на пол-года.
История такова: у нас есть два магнита, соединены они проводами, естественно где-то провода спаяны. Провода же «плавают» в гелии (напомню, при 1.7 Кельвина), и по ним идет ток примерно в 20000 ампер. Припой был сделан плохо, получился маленький конденсатор, который дал искру, нагрел гелий до 5 Кельвина. При 20000 амперах и температуре в 5 Кельвина провода начали нагреваться, нагревая вокруг себя гелий… Итог — магнит, весом в 13 тонн улетел на 30 метров, снеся парочку дверей и стенок, и погнулся; гелий же газом заполнил всю секцию ускорителя. Проблема была в том, что люди не могли даже открыть ускоритель (во время работы ускорителя внутри вакуум), ибо при взаимодействии гелия с воздухом получалась бы вода (в результате конденсации из воздуха, при резком охлаждении получается вода, спасибо frig), и залила бы электроники на миллионы долларов. Пришлось откачивать, ждать, и придумывать новые способы пайки этих кабелей.
Вот собственно и всё. Про ЦЕРН можно говорить сколько угодно долго, но я думаю, что для общего представления, что тут да как, этого достаточно. Если будут вопросы — буду рад.
P.S.: Ccылки на статьи по экспериментам:
-Эксперимент ATLAS — упрощенное описание задачи и немного о детекторе
Давайте вспомним, что же есть ЦЕРН.
CERN — Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (фр.), или же European Organization for Nuclear Research (анг.), международный центр ядерных исследований. Занимается изучением физики высоких энергий в течение вот уже 57 (29 сентября будет 58) лет. Самые известные для ненаучного мира достижения — «создание Web» Тимом Ли (разумеется, до него передача данных от сервера к клиенту существовала в некоторых военных организациях, но Тим Ли сделал первый в мире сервер, доступный сначала только из ЦЕРНа, а потом уже и из всего мира), разработка системы GRID. Находится на границе Швейцарии и Франции.
На данный момент в ЦЕРНе находится самый большой и самый мощный в мире ускоритель LHC (Large Hadron Collider, БАК). На этом ускорителе есть 4 крупных эксперимента (В самом ЦЕРНе их больше, но все они либо используют данные, полученные этими четырьмя, либо не связанны с ускорителем вообще): ALICE, ATLAS, CMS, LHCb. Давайте разберем по-порядку, чем каждый из них занимается (для знатоков уточню — я буду пытаться объяснить все так, что бы было понятно людям, с физикой не связанным. Неточности и ошибки можно будет обсудить в комментариях. А то ведь, на самом деле, каждый из этих экспериментов заслуживает отдельной статьи):
-ALICE:
Как вы все знаете, по современной теории (и пока не имеющей достоверных опровержений) наша вселенная произошла из Большого Взрыва 14 миллиардов лет назад. В один момент появилась вся материя, вся энергия, время и пространство, и потом весь этот суп начал развиваться. Нас же сейчас интересует вот этот самый суп из всего что только возможно сразу после создания вселенной. Состояние, в котором была материя в то время — плазма, с огромной энергией и температурой, и с очень интересными свойствами. ALICE хочет воспроизвести маленький Большой Взрыв и понаблюдать за состоянием материи в первые секунды после большого взрыва (Это именно тот эксперимент, который должен был создать черную дыру и всех нас убить, да-да).
-ATLAS:
Если купить очень дорогое оборудование, нанять сотню-другую гениальных астрофизиков и потратить несколько лет на изучение космоса, то можно заметить, что материя, которую мы «видим», составляет лишь около 5% массы всей Вселенной. Остальные же 95% это так называемая тёмная материя (23%) и тёмная энергия (72%). ATLAS как раз таки и пытается понять, что это за материя и почему её не видно (Теоретики предполагают, что это материя из других измерений, но свет распространяется только в 3-х, а гравитация — по всем, по-этому мы можем заметить массу этой материи, но не увидеть её. Но это очень простое объяснение, которое меня не устраивает — складывается впечатление, что существуют параллельные миры и другая научно-фантастическая чушь, что абсолютно неверно). Так же этот эксперимент ищет бозон Хигса, который отвечает на вопрос «почему у тела есть масса».
-CMS:
Этот эксперимент ищет то же самое, что и ATLAS, только другими способами. Однако, как вы могли уже читать, именно он близок к нахождению бозона Хигса, как никогда.
-LHCb:
Есть такая штука, как антиматерия. Одно из ее свойств — аннигиляция при взаимодействии с материей (и то, и другое превращается в чистую энергию, ничего не остаётся). В теоретической физике почти все подвержено симметрии, и это значит что, при создании материи и антиматерии во время Большого Взрыва, все должно было аннигилировать и исчезнуть. Однако что-то пошло не так, как мы предполагаем, и не вся материя и антиматерия аннигилировали (божественный баг, или же фича?). LHCb пытается понять, почему же это произошло.
Вот собственно четыре самых крупных физических эксперимента мира. Если кому-то будет интересно, могу написать про каждый из них отдельно.
Теперь давайте посмотрим, как же это все работает.
Каждый из экспериментов разгоняет пучки частиц в ускорителе до около-световых скоростей и сталкивает их в своем детекторе (по одному детектору на эксперимент). ALICE сталкивает ионы свинца (у них большая масса), ATLAS, CMS и LHCb — протоны. После столкновения частицы разлетаются на частички поменьше, которые наблюдаются детекторами, и потом из этих данных восстанавливается полная картина столкновения. Данные же с детекторов (здесь я имею ввиду именно одиночные штуки, которые фиксируют частицу, такие как кристалы, пузырьковые камеры, и т.д...) аналоговым сигналом передаются на установки, стоящие непосредственно рядом с ними, которые, в свою очередь, конвертируют его в цифровой сигнал и отсылают наверх, на обработку и на сохранение. Проблема тут в том, что этих данных много. Очень много. Невероятно много. Например, с эксперимента ATLAS в секунду поступает 70 терабайт информации (источник). А столкновения происходят в течении часов. Представляете себе масштаб? Для решения этой задачи в ЦЕРНе разработали систему GRID, которая использует мощности многих дата-центров мира для своих целей. Опять же, если кому-то будет интересно почитать про детекторы — могу написать про них.
Идем дальше. Что бы разогнать частицы, надо подать сильное магнитное поле. Тут для подачи тока используют суперпроводники при температурах от 1.7 до 4 Кельвина. Охлаждается все гелием: закупается жидкий гелий, тонн эдак 500, и охлаждается до 4 по Кельвину. А потом, если надо ниже, то и до 1.7. Тут мне рассказать больше особо нечего, так как описание системы охлаждения будет очень долгим (Если кому-то будет интересно… ну вы поняли). Что могу добавить — так это в 2008 году в туннеле был взрыв, и именно из-за не идеальной системы подачи гелия весь ускоритель встал на пол-года.
История такова: у нас есть два магнита, соединены они проводами, естественно где-то провода спаяны. Провода же «плавают» в гелии (напомню, при 1.7 Кельвина), и по ним идет ток примерно в 20000 ампер. Припой был сделан плохо, получился маленький конденсатор, который дал искру, нагрел гелий до 5 Кельвина. При 20000 амперах и температуре в 5 Кельвина провода начали нагреваться, нагревая вокруг себя гелий… Итог — магнит, весом в 13 тонн улетел на 30 метров, снеся парочку дверей и стенок, и погнулся; гелий же газом заполнил всю секцию ускорителя. Проблема была в том, что люди не могли даже открыть ускоритель (во время работы ускорителя внутри вакуум), ибо при взаимодействии гелия с воздухом получалась бы вода (в результате конденсации из воздуха, при резком охлаждении получается вода, спасибо frig), и залила бы электроники на миллионы долларов. Пришлось откачивать, ждать, и придумывать новые способы пайки этих кабелей.
Вот собственно и всё. Про ЦЕРН можно говорить сколько угодно долго, но я думаю, что для общего представления, что тут да как, этого достаточно. Если будут вопросы — буду рад.
P.S.: Ccылки на статьи по экспериментам:
-Эксперимент ATLAS — упрощенное описание задачи и немного о детекторе
